LTC3108-1：超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器與電源管理器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效的電源管理一直是工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。特別是在一些對(duì)電源要求苛刻的應(yīng)用場景中，如無線傳感器、能量收集系統(tǒng)等，需要能夠從極低電壓源中獲取能量并進(jìn)行有效管理的解決方案。Linear Technology的LTC3108-1超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器和電源管理器就是這樣一款出色的產(chǎn)品，下面我們來詳細(xì)了解一下它。

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一、產(chǎn)品概述

LTC3108-1是一款高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，專為從極低輸入電壓源（如TEGs（熱電發(fā)生器）、熱電堆和小型太陽能電池）中收集和管理多余能量而設(shè)計(jì)。它采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠在低至20mV的輸入電壓下工作，為無線傳感和數(shù)據(jù)采集提供了完整的電源管理解決方案。

1.1 主要特性

• 超低輸入電壓工作：能夠從低至20mV的輸入電壓啟動(dòng)，這使得它可以利用一些微弱的能量源，如微小的溫度差產(chǎn)生的熱電效應(yīng)。
• 可選輸出電壓：提供2.5V、3V、3.7V或4.5V的可選輸出電壓，滿足不同負(fù)載的需求。
• LDO輸出：具備2.2V的LDO輸出，可提供3mA的電流，為外部微處理器等低功耗設(shè)備供電。
• 邏輯控制輸出和備用能量輸出：支持邏輯控制輸出，方便與其他電路進(jìn)行協(xié)同工作；同時(shí)提供備用能量輸出，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
• 電源良好指示：通過電源良好指示器（PGD）信號(hào)，可判斷主輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)。
• 緊湊的封裝：采用12引腳（3mm × 4mm）DFN或16引腳SSOP封裝，節(jié)省電路板空間。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

LTC3108-1廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括但不限于：

• 遠(yuǎn)程傳感器和無線電電源：為遠(yuǎn)程傳感器和無線電設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，無需頻繁更換電池。
• 余熱能量收集：在HVAC系統(tǒng)等場景中，收集余熱并轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)能源的有效利用。
• 工業(yè)無線傳感：為工業(yè)無線傳感器提供可靠的電源，提高工業(yè)自動(dòng)化水平。
• 自動(dòng)計(jì)量：確保自動(dòng)計(jì)量設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，減少維護(hù)成本。
• 樓宇自動(dòng)化：為樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的各種傳感器和執(zhí)行器提供電源支持。
• 預(yù)測性維護(hù)：幫助實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)，提高設(shè)備的可靠性和使用壽命。

二、電氣特性

2.1 絕對(duì)最大額定值

在使用LTC3108-1時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，以確保設(shè)備的安全運(yùn)行。例如，SW電壓范圍為–0.3V至2V，VOUT2和VOUT2_EN的電壓范圍為–0.3V至6V等。同時(shí)，要注意不同引腳的電壓和電流限制，以及工作結(jié)溫范圍（–40°C至125°C）和存儲(chǔ)溫度范圍（–65°C至125°C）。

2.2 電氣參數(shù)

LTC3108-1的各項(xiàng)電氣參數(shù)在不同條件下有明確的規(guī)定。例如，使用1:100變壓器匝數(shù)比時(shí)，最小啟動(dòng)電壓為20mV，無負(fù)載輸入電流在特定條件下為3mA等。輸出電壓可通過VS1和VS2引腳進(jìn)行編程，不同組合可得到2.5V、3V、3.7V或4.5V的輸出電壓。此外，還規(guī)定了LDO輸出電壓、負(fù)載調(diào)節(jié)、線路調(diào)節(jié)、壓降電壓等參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)和使用該芯片至關(guān)重要。

三、典型性能特性

3.1 輸出電流和效率與輸入電壓的關(guān)系

通過典型性能特性曲線可以看出，輸出電流（IVOUT）和效率與輸入電壓（VIN）以及變壓器匝數(shù)比密切相關(guān)。不同的匝數(shù)比（如1:20、1:50、1:100）會(huì)影響輸出電流和效率的表現(xiàn)。一般來說，在較低的輸入電壓下，使用較大的匝數(shù)比可以獲得更高的輸出電流和效率。

3.2 輸入電阻與輸入電壓的關(guān)系

輸入電阻（INPUT RESISTANCE）與輸入電壓和變壓器匝數(shù)比也有關(guān)系。隨著輸入電壓的降低，輸入電阻會(huì)增加，這有助于優(yōu)化從具有幾歐姆源電阻的源（如典型的TEG）的功率傳輸。

3.3 其他性能特性

還包括LDO負(fù)載調(diào)節(jié)、LDO壓降電壓、VOUT和PGD響應(yīng)、VOUT紋波等性能特性。這些特性對(duì)于評(píng)估芯片在不同負(fù)載和工作條件下的性能非常重要。

四、引腳功能

4.1 VAUX

VAUX是內(nèi)部整流電路的輸出和IC的VCC，需要用至少1μF的電容進(jìn)行旁路。內(nèi)部有源并聯(lián)穩(wěn)壓器將VAUX鉗位在5.25V（典型值）。

4.2 VSTORE

VSTORE用于連接存儲(chǔ)電容或電池。當(dāng)輸入電壓丟失時(shí)，該引腳連接的大電容可為系統(tǒng)供電。它會(huì)充電到VAUX的最大鉗位電壓。如果不使用，該引腳應(yīng)留空或連接到VAUX。

4.3 VOUT

VOUT是轉(zhuǎn)換器的主輸出，其電壓由VS1和VS2引腳編程選擇?？蛇B接到儲(chǔ)能電容或可充電電池。

4.4 VOUT2

VOUT2是轉(zhuǎn)換器的開關(guān)輸出，可通過VOUT2_EN引腳由主機(jī)控制開關(guān)。當(dāng)啟用時(shí)，通過1.3Ω的P溝道開關(guān)連接到VOUT。該輸出可用于為外部電路（如傳感器和放大器）供電。

4.5 VLDO

VLDO是2.2V LDO的輸出，需要連接一個(gè)2.2μF或更大的陶瓷電容到地。如果不使用，該引腳應(yīng)連接到VAUX。

4.6 PGD

PGD是電源良好輸出。當(dāng)VOUT在其編程值的7.5%范圍內(nèi)時(shí)，PGD通過1MΩ電阻上拉到VLDO；如果VOUT下降到其編程值的9%以下，PGD將變?yōu)榈碗娖健?/p>

4.7 VS1和VS2

VS1和VS2是VOUT選擇引腳，通過連接到地或VAUX來編程輸出電壓。

4.8 VOUT2_EN

VOUT2_EN是VOUT2的使能輸入，當(dāng)該引腳驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，VOUT2將被啟用。該引腳有一個(gè)內(nèi)部5M下拉電阻。

4.9 C1和C2

C1是電荷泵和整流電路的輸入，需要連接一個(gè)電容到升壓變壓器的次級(jí)繞組；C2是N溝道柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸入，同樣需要連接一個(gè)電容到升壓變壓器的次級(jí)繞組。

4.10 SW

SW是內(nèi)部N溝道開關(guān)的漏極，連接到變壓器的初級(jí)繞組。

4.11 GND

GND是接地引腳，DFN封裝的暴露焊盤必須焊接到PCB接地平面，以提供接地連接和散熱。

五、工作原理

5.1 振蕩器

LTC3108-1利用MOSFET開關(guān)和外部升壓變壓器以及小耦合電容形成諧振升壓振蕩器，能夠?qū)⒌椭?0mV的輸入電壓升高到足夠的電壓，為其他電路提供多個(gè)穩(wěn)壓輸出電壓。振蕩頻率由變壓器次級(jí)繞組的電感決定，通常在10kHz至100kHz范圍內(nèi)。

5.2 電荷泵和整流器

變壓器次級(jí)繞組產(chǎn)生的交流電壓通過外部電荷泵電容（從次級(jí)繞組到C1引腳）和LTC3108-1內(nèi)部的整流器進(jìn)行升壓和整流。整流電路將電流饋入VAUX引腳，為外部VAUX電容和其他輸出提供電荷。

5.3 VAUX

VAUX為LTC3108-1內(nèi)部的有源電路供電，需要用1μF電容進(jìn)行旁路。當(dāng)VAUX超過2.5V時(shí)，主VOUT開始充電。內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器將VAUX的最大電壓限制在5.25V（典型值）。

5.4 電壓參考

LTC3108-1包含一個(gè)精密的微功耗參考，用于提供準(zhǔn)確的穩(wěn)壓輸出電壓。當(dāng)VAUX超過2V時(shí)，該參考開始工作。

5.5 同步整流器

當(dāng)VAUX超過2V時(shí)，與每個(gè)內(nèi)部二極管并聯(lián)的同步整流器接管輸入電壓的整流工作，提高效率。

5.6 低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）

LTC3108-1包含一個(gè)低電流LDO，提供2.2V的穩(wěn)壓輸出，為低功耗處理器或其他低功耗IC供電。LDO由VAUX或VOUT中較高的電壓供電，需要一個(gè)2.2μF的陶瓷電容來保證穩(wěn)定性。

5.7 VOUT

VOUT的主輸出電壓由VAUX電源充電，用戶可通過VS1和VS2引腳將其編程為四個(gè)穩(wěn)壓電壓之一。當(dāng)輸出電壓略低于穩(wěn)壓值時(shí)，只要VAUX大于2.5V，充電電流就會(huì)被啟用；當(dāng)VOUT達(dá)到適當(dāng)值時(shí)，充電電流將關(guān)閉。

5.8 PGOOD

電源良好比較器監(jiān)控VOUT電壓。PGD引腳是一個(gè)開漏輸出，通過一個(gè)弱上拉（1M）連接到LDO電壓。當(dāng)VOUT充電到其穩(wěn)壓電壓的7.5%范圍內(nèi)時(shí)，PGD輸出將變?yōu)楦唠娖?；如果VOUT下降超過其穩(wěn)壓電壓的9%，PGD將變?yōu)榈碗娖健?/p>

5.9 VOUT2

VOUT2是一個(gè)可由主機(jī)控制開關(guān)的輸出，通過VOUT2_EN引腳進(jìn)行控制。啟用時(shí)，通過1.3Ω的P溝道MOSFET開關(guān)連接到VOUT。該輸出可用于為外部電路供電，通過最小化VOUT2上的去耦電容，可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更小的占空比。

5.10 VSTORE

VSTORE輸出可用于在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓后對(duì)大存儲(chǔ)電容或可充電電池進(jìn)行充電。當(dāng)VOUT達(dá)到穩(wěn)壓時(shí)，VSTORE輸出將充電到VAUX電壓。存儲(chǔ)元件可在輸入源丟失或無法提供所需電流時(shí)為系統(tǒng)供電。

5.11 短路保護(hù)

LTC3108-1的所有輸出都具有電流限制功能，以防止對(duì)地短路。

5.12 輸出電壓排序

通過輸出電壓排序的時(shí)序圖可以了解各個(gè)輸出的充電和電壓排序情況，確保系統(tǒng)的正常工作。

六、應(yīng)用信息

6.1 輸入電壓源

LTC3108-1可以從多種低輸入電壓源（如Peltier電池、光伏電池或熱電堆發(fā)生器）獲取能量。不同的輸入電壓源具有不同的特性，需要根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的輸入源。例如，Peltier電池（熱電發(fā)生器）可在溫度差低至1°C的情況下工作，其內(nèi)部電阻（ESR）通常在1Ω至5Ω范圍內(nèi)，適合能量收集應(yīng)用。

6.2 組件選擇

6.2.1 升壓變壓器

升壓變壓器的匝數(shù)比決定了轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)輸入電壓。使用1:100的匝數(shù)比可以實(shí)現(xiàn)低至20mV的啟動(dòng)電壓。變壓器繞組的直流電阻和電感也會(huì)影響性能，較高的直流電阻會(huì)導(dǎo)致效率降低。推薦的諧振頻率在10kHz至100kHz范圍內(nèi)。

6.2.2 C1電容

連接到變壓器次級(jí)繞組和C1引腳的電荷泵電容會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的輸入電阻和最大輸出電流能力。在使用1:100匝數(shù)比的變壓器和極低輸入電壓時(shí)，建議使用至少1nF的電容。對(duì)于較高的輸入電壓和較低的匝數(shù)比，可以增加C1電容的值以提高輸出電流能力。

6.2.3 避免振蕩問題

某些類型的振蕩器可能會(huì)出現(xiàn)“squegging”現(xiàn)象，LTC3108-1也可能遇到這種情況。通過在C2引腳的耦合電容上并聯(lián)一個(gè)泄放電阻（阻值范圍為100k至1MΩ）可以避免squegging，推薦使用499k的泄放電阻。

6.2.4 使用外部電荷泵整流器

當(dāng)輸入電壓較高（通常在250mV或更高）時(shí)，使用較低的變壓器升壓比（如1:20和1:10）和較大的C1電容值可以提供更高的輸出電流能力。此時(shí)，建議使用外部電荷泵整流器以獲得最佳性能。

6.2.5 VOUT和VSTORE電容

對(duì)于脈沖負(fù)載應(yīng)用，VOUT電容的大小應(yīng)根據(jù)負(fù)載電流、負(fù)載脈沖持續(xù)時(shí)間和電路允許的電壓降來確定。VSTORE電容可以是非常大的值，以在輸入電源丟失時(shí)提供保持能力。所有用于VOUT和VSTORE的電容應(yīng)具有低泄漏特性，以減少損耗和充電時(shí)間。

6.3 PCB布局指南

由于諧振轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率較低和功率水平較低，PCB布局不像其他DC/DC轉(zhuǎn)換器那樣關(guān)鍵。但仍需要注意連接到VIN、變壓器初級(jí)、SW和GND引腳的線路，以最小化雜散電阻引起的電壓降，并確保能夠承載高達(dá)500mA的電流。同時(shí)，要盡量減少輸出電壓引腳的泄漏電流。

6.4 設(shè)計(jì)示例

6.4.1 脈沖負(fù)載應(yīng)用中VOUT存儲(chǔ)電容的計(jì)算

在脈沖負(fù)載應(yīng)用（如無線傳感器/發(fā)射器）中，需要計(jì)算VOUT存儲(chǔ)電容的大小。例如，當(dāng)VOUT設(shè)置為3V，允許的電壓降為10%（0.3V），負(fù)載脈沖持續(xù)時(shí)間為1ms，總平均電流為40mA時(shí)，根據(jù)公式計(jì)算出最小所需電容為133μF。同時(shí)，還需要計(jì)算負(fù)載脈沖的最大發(fā)生速率，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6.4.2 平均充電電流的計(jì)算

在已知負(fù)載電流脈沖的持續(xù)時(shí)間、大小和頻率的情況下，需要計(jì)算LTC3108-1支持平均負(fù)載所需的平均充電電流。通過公式可以計(jì)算出所需的充電電流，以確保系統(tǒng)能夠滿足負(fù)載需求。

七、典型應(yīng)用

7.1 Peltier供電的遠(yuǎn)程傳感器能量收集器

利用Peltier電池作為輸入源，為遠(yuǎn)程傳感器提供電源。通過LTC3108-1收集和管理能量，實(shí)現(xiàn)傳感器的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

7.2 太陽能電池供電的超級(jí)電容充電器和LDO

使用太陽能電池為超級(jí)電容充電，并通過LTC3108-1提供穩(wěn)定的電源輸出。在光照條件較低的情況下，LTC3108-1仍能正常工作。

7.3 熱電堆發(fā)生器供電的雙輸出轉(zhuǎn)換器和LDO

利用熱電堆發(fā)生器作為輸入源，為系統(tǒng)提供雙輸出電壓和LDO輸出。適用于需要多個(gè)電壓輸出的應(yīng)用場景。

7.4 DC輸入能量收集器和電源管理器

對(duì)于DC輸入源，LTC3108-1可以作為能量收集器和電源管理器，實(shí)現(xiàn)能量的有效利用。

7.5 AC輸入能量收集器和電源管理器

對(duì)于AC輸入源，同樣可以使用LTC3108-1進(jìn)行能量收集和管理。通過適當(dāng)?shù)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計(jì)，將AC輸入轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的DC輸出。

7.6 低剖面（1.5mm）升壓轉(zhuǎn)換器/收集器

使用1:10變壓器實(shí)現(xiàn)低剖面的升壓轉(zhuǎn)換和能量收集。該應(yīng)用適用于對(duì)空間要求較高的場景。

八、相關(guān)部件

文檔中還介紹了一些相關(guān)部件，如LTC3108、LTC4070、LTC1041等，這些部件在不同的應(yīng)用場景中具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇和搭配。

LTC3108-1是一款功能強(qiáng)大的超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器和電源管理器，在能量收集和電源管理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過合理選擇組件和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，為各種低功耗應(yīng)用提供可靠的電源解決方案。你在使用LTC3108-1的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。